Понятие внутренней энергии было сформулировано физиками прежде всего для построения теории, объясняющей тепловые явления. Для объяснения процессов теплопередачи, физическое тело рассматривается как система, состоящая из большого количества частиц (атомов и молекул). Сумма энергий всех частиц, составляющих тело (кинетическая и потенциальная), по определению является внутренней энергией физического тела. Рассмотрим основные способы изменения внутренней энергии.
$ ΔU = { Q + A } $ (1).
Если же сама термодинамическая система, получив тепло Q, совершает работу А, то формула (1) принимает следующий вид:
$ ΔU = { Q – A } $ (2).
Представления о внутренней энергии сложились далеко не сразу. В течение ХIХ века существовала теория теплорода, предложенная французским ученым Лавуазье. Считалось, что теплород — это некая субстанция (особый вид материи), при втекании которой в тело, его температура увеличивается, а при вытекании происходит уменьшение температуры. Многочисленные эксперименты, проведенные в начале ХIХ века, полностью опровергли эту теорию и развеяли миф о теплороде.
Изменение величины внутренней энергии с помощью работы
Итак, в соответствии с первым законом термодинамики внутренняя энергия вещества, из которого состоит данное тело, изменится если над ним будет совершена работа внешними силами, либо само тело совершит работу. Приведем ряд примеров:
- Когда мы забиваем гвоздь молотком в доску, или отрезаем ножовкой по металлу кусок трубы, то легко обнаружить, что происходит повышение температуры (разогрев) всех “участников” произведенных действий: гвоздя, молотка, ножовки и трубы. В обоих случаях была произведена работа по преодолению силы трения;
- Если взять металлическую проволоку, и произвести некоторое количество сгибаний и разгибаний, то также нетрудно будет заметить, что температура металла за счет этих деформаций увеличилась;
- Так как величина внутренней энергии пропорциональна температуре тела, то, следовательно, произошло ее увеличение за счет произведенной нами работы. Приведенные примеры описываются формулой (1);
- Работа, которую совершает нагретый пар в тепловом двигателе, вращая турбину, уменьшает его внутреннюю энергию. Для этого примера справедлива формула (2).
Изменение величины внутренней энергии с помощью передачи тепла
Количество теплоты Q, полученное телом извне или, наоборот, переданное от себя другому телу — второй механизм, приводящий к изменению внутренней энергии ΔU. Передача энергии от одного тела к другому без совершения работы называется теплообменом или теплопередачей. Теплообмен возможен только между телами, имеющими разную температуру, в результате чего происходит передача части внутренней энергии от тела с более высокой температурой к телу, имеющему низкую температуру.
Существует три основных механизма теплопередачи: теплопроводность, конвекция и излучение:
- Механизм теплопроводности связан с передачей тепла от более нагретого тела к менее нагретому. Например, когда кастрюля с холодной водой ставится на разогретую газовую или электроплиту, то нагрев происходит за счет этого механизма, суть которого заключается в передаче энергии “горячих” молекул газового пламени или молекул раскаленной электрической спирали;
- Конвекция представляет собой перенос внутренней энергии в газах и жидкостях в результате циркуляции потоков вещества и последующего перемешивания. Простым примером для понимания характера этого механизма служит работа кондиционера в помещении, когда поток охлажденного им воздуха начинает перемешиваться с более теплым, что приводит к общему понижению температуры в квартире или офисе;
- Передача тепла с помощью излучения происходит в виде электромагнитных волн. Этот механизм может проистекать даже в вакууме. Часть внутренней энергии преобразуется в электромагнитную энергию, которая распространяется в пространстве и после попадания на другое тело, поглощается им. Таким образом происходит изменение внутренней энергии обоих тел. Чем больше температура тела, тем больше энергии передается с помощью излучения.
Изменение внутренней энергии с помощью химических реакций
Внутренняя энергия системы, представляющая собой смесь разных веществ, может изменяться в результате химических реакций, в которые эти вещества вступают между собой. При этом в результате тепло Q может либо выделяться (экзотермическая реакция), либо поглощаться (эндотермическая реакция). В первом случае внутренняя энергия уменьшается, а во втором — увеличивается.
Примером реакции с выделением тепла Q может служить реакция горения метана в кислороде:
$ СH_4 + 2O_2 = CO_2 + 2*H_2O + Q $ (3).
Пример реакции с поглощением тепла — разложение карбоната кальция СaCO3 на углекислый газ CO2 и оксид кальция (негашеная известь) CaO:
$ СaCO_3 = CaO + CO_2 – Q $ (4).
Все перечисленные способы изменения внутренней энергии можно представить в виде следующей таблицы:.
Физики научились регистрировать и измерять тепловое излучение, что позволило создать удивительные приборы, которые называются тепловизорами. Этими устройствами можно бесконтактно (на расстоянии) измерять температуру на поверхности различных тел, в том числе на теле человека. Тепловизоры применяются в медицине, в военной технике, в промышленности.
Что мы узнали?
Итак, мы узнали, что внутреннюю энергию тела можно изменить либо с помощью совершения работы А, либо с помощью передачи количества теплоты Q. Существует три основных механизма теплопередачи: теплопроводность, конвекция и излучение. Внутренняя энергия может также изменяться в результате химических реакций.
